自然排煙窗（氣動）推桿組運動規(guī)律研究

摘要：在研究氣動自然排煙窗搭載氣動推桿的系統(tǒng)狀態(tài)問題，尤其是在嘗試使用計算流體力學(xué)方法時，氣動推桿的工作規(guī)律尤為重要。因此，對給定三個類型氣動推桿在一定供氣及負載條件下的運動規(guī)律進行了實驗探究，并給出從中得出經(jīng)驗公式的方法。同時，對一個實物氣動系統(tǒng)工作狀態(tài)下的氣壓變化進行了多組實驗，以嘗試從中比較供氣消耗、運行時間等參數(shù)與不同系統(tǒng)變量之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞：氣動排煙窗；氣動推桿；運動規(guī)律1概述本文的出發(fā)點為借助計算流體力學(xué)研究空壓機輸氣帶動氣動推桿組的氣動系統(tǒng)。在通過計算流體力學(xué)研究氣動推桿系統(tǒng)時，為了實行可靠的計算，除了初始條件與邊界條件，需要氣動推桿的工作條件為計算的支撐。其一，由于氣動推桿活塞可活動，需要對氣動推桿活塞的運動規(guī)律進行定義。通過對系統(tǒng)中存在的不同類型氣動推桿活塞的運動規(guī)律進行定義，使得模擬系統(tǒng)中的活塞可以確定某時刻在特定壓力差下的速度變化，以界定瞬時進氣與出氣區(qū)域大小，從而確保計算所得數(shù)值足夠精確。其二，對于軟件計算所得的結(jié)果，需要用一定的實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行比對修正。由于實際環(huán)境存在的各種干擾（摩擦、溫差等）及軟件建模中不可避免的簡化操作，會使計算所得與真實數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定程度的偏差。通過實驗結(jié)果與計算值的比對，借以提高模擬的準(zhǔn)確性。本文將針對上文中提到的兩種計算所需條件的獲取進行探究，并對所得結(jié)果進行簡要分析。2實驗材料本實驗使用了尺寸為2m×1.3m×2m（L×W×H）的鋁合金框架作為實驗場所，并在上固定10根1.5m鋼制橫梁用以懸掛氣動推桿進而模擬安裝有氣動推桿的自然排煙窗。在氣動推桿的選擇上，實驗中采用了三種共計25臺氣動推桿，使用氣動推桿種類及參數(shù)見表1。其中，D40氣動推桿10臺，D50a氣動推桿4臺，D50b氣動推桿11臺。實驗中使用的空壓機型號為HET90，最大輸出壓力為1.26MPa，儲氣容量為160L，充滿時滿足整個系統(tǒng)開合需求。輸氣管材質(zhì)為PU，外徑有6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，管件使用快接接頭。實驗中使用了具有開關(guān)功能的控制箱，根據(jù)開關(guān)不同可交換氣源進氣出氣方向。負載懸掛在氣動推桿連桿下方，重量從5kg到30kg不等。3實驗內(nèi)容實驗的思路為在不同負載與壓力下測試活塞沿時間的運動軌跡，并從中得出適用于實驗范圍的經(jīng)驗方程。為了保證供氣接近充足，僅有所研究的一臺氣動推桿與控制箱相連，連接的進出氣管盡可能短，以減少氣壓在管路中的延遲與耗散。運動規(guī)律實驗組別見表2。在推桿頂端進行標(biāo)記，并設(shè)置高度參照物以確定上升/降下高度。本實驗將開啟曲線與關(guān)閉曲線分開考慮，定義0cm為完全開啟位置，即活塞完全伸出，而完全收回時的高度在數(shù)值上等于活塞行程長度。在按下開關(guān)的同時，間隔一段時間記錄關(guān)鍵點高度，以構(gòu)成如圖1沿時間的運動曲線。將擬合曲線的方程記錄下來，可以看出，隨時間的運動曲線遵循一元二次方程的變化規(guī)律，此處將隨時間的運動曲線定義為：其中，a為二次項系數(shù)，b為一次項系數(shù)，c為常數(shù)項。在取a、b與c數(shù)值時，需確保取得足夠小數(shù)位數(shù)以保證計算精度[1]。此處c的意義非常明確，對于關(guān)閉曲線，c為0；在開啟曲線中，c為活塞沖程。而a與b均為與t無關(guān)的量，兩者與負載m和氣壓p存在著關(guān)聯(lián)。將a和b寫作a（m，p）和b（m，p）。首先，需要分離其中一個變量，此處分離p。將氣動推桿在同一負載、不同壓強下的a與b分別列出。氣動推桿在同一負載不同壓強下的a（m，p）見表3。此處由于選取壓強為3個，擬合出a-p二次方程。此方程寫作：此時，分離出d、e、f三個獨立于p的值，其隨著m而變化，將其標(biāo)記為d（m）、e（m）、f（m）。通過列出不同負載下的d（m）、e（m）、f（m），可得表4。此處因有4個點，擬合出關(guān)于m的一元三次方程d（m）、e（m）、f（m）。至此有：同理，b也可得出類似經(jīng)驗方程。由于視差等原因，c并非完全等于0或活塞沖程值，使過程長度不完全等于測量得到的活塞沖程，需要對其進行修正。將c分為c關(guān)閉和c開啟。將同一氣動推桿所有測得的c關(guān)閉與c開啟取平均值，并對a與b進行修正：組合可得氣動推桿運動經(jīng)驗方程：需要指出，各多項式系數(shù)關(guān)于m，p的具體擬合方程可能隨實驗組數(shù)增加而變化，但可保證在測試范圍內(nèi)取值的準(zhǔn)確性。若所取范圍太大導(dǎo)致無法擬合，宜改寫成分段函數(shù)[2]。4數(shù)據(jù)與分析通過一系列實驗及求近似解，可得到如表5形式的運動方程（僅列舉D40的例子）。為了驗證經(jīng)驗方程在實驗范圍內(nèi)的可行性，進行了一組驗證實驗。在驗證實驗中使用了D40氣動推桿并對其施加12.5kg的負重及0.35MPa的氣壓，該組數(shù)據(jù)并未使用于經(jīng)驗公式的求得。將其與經(jīng)驗公式計算后所得曲線相比較，可得圖2。由圖中可以看出，經(jīng)驗方程計算所得的曲線與驗證實驗的實際數(shù)據(jù)具有很高的一致性。因此，該經(jīng)驗方程的求得方法可以在實驗范圍內(nèi)對氣動推桿的運動規(guī)律進行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。5結(jié)